全向超声波雷达的设计与实现

一、开发背景

2011年初，当时我的毕设”基于嵌入式系统的无线环境监测机器人”需要一套用于自主避障的传感方案。当时候选的传感器有：GP2D12、红外收发管、超声波传感器、激光传感器。红外收发管测量距离较近，受环境光影响严重；激光传感器受反射面材质影响较大，而且不易处理；GP2D12虽也是基于红外原理设计的，但经过了调制与滤波，所以性能相比红外收发管要好很多，可其输出是模拟量需要额外的信号调理，且其输出电压与距离呈非线性，不易处理，另外价格也较高(90元左右)。所以最终确定了使用超声波传感器模块，原因有以下几个：

1）精度较高，可达3mm；
2）测量结果与其输出呈线性关系；
3）测量距离范围大，可达5m；
4）价格相对便宜，30元左右；
5）输出为数字电平，易于处理。

二、硬件设计

我所设计的机器人需要有前方180度范围的障碍物探测能力，而超声波模块的检测角大约有30度左右，故可以在180度范围内部署6个互成30度排列的超声波传感器。但是这种方式得到的分辨率极低，每次采集只能得到6个采样点。如果要提高采样点的数量，就必须增加超声波传感器的数量，这样空间上就会十分拥挤。

为了解决分辨率与超声波数量之间的矛盾，我参照雷达的工作原理，设计了该超声波雷达模块。该模块由舵机、支架、激光管、超声波模块组成，其组成如下图所示：

Figure 1. 超声波雷达顶视图

Figure 2. 超声波雷达左视图

其中舵机为MG995模拟舵机，其旋转角在180度，速度为0.13秒/60度。支架部分为一块PCB电路板，完成超声波模块的物理、电气连接，同时也实现了与舵机的物理连接，使得支架板可与舵机同步旋转；两个平行放置的激光管在效果图中未画出，是为今后升级至视觉测距预留的；三个超声波模块均匀排列，采用三个可以加快扫描速度，而间隔60度使每个传感器负责60度的测量范围，并且不会相互干扰。

支架板的PCB图如下所示，P11、P22、P33安装超声波模块，J1为外部接口：

Figure 3. 支架PCB图

最终实物图如下图所示：

Figure 4. 超声波雷达实物图

三、工作原理

超声波雷达有两种工作模式：一种为静态模式，一种为扫描模式。

工作在静态模式时，支架平台不移动，这种情况下可以快速采集周边障碍物状态，但分辨率较差，只能得到左、中、右3个采样点。

而工作在扫描模式时，舵机带动支架平台作扫描运动，每隔1度进行一次采样。这种模式下分辨率较高，但是一次扫描周期较长，无法在运动中测量。这种模式下，支架平台的运动情况如下：

Figure 5. 工作在扫描模式

由上可知，静态模式和扫描模式各有利弊。在实际使用中，工作在静态模式即可进行简单的避障，而在遇到周边环境较为复杂的情况时，则切换到扫描模式进行全面扫描，从而实现避障行为。

支架平台的旋转是通过舵机来实现的，舵机是一种角度控制元件，常用于航模中。舵机的输出角度与其信号输入有关，该信号周期一般为50Hz，其脉宽就决定了舵机的旋转角度。对于MG955，当Ton=1500us时，舵机旋转至中心位置；Ton=1000us左右时旋转至左45度位置；Ton=2000us时旋转至右45度位置。其他角度依次类推，呈线性关系。

Figure 6. MG955舵机

超声波模块采用市场上常见的US100超声波模块，使用时首先给Trig脚一个10us以上的高电平，之后等待Echo为高，并测量Echo高电平的时间t，所测距离可由以下公式得到：\(s = (t * V_{sound}) / 2\)

Figure 7. 超声波模块US100

四、软件设计

该超声波雷达平台的软件使用AVR-GCC开发，基于Germs SDK。Germs是本站一个基于ATmega系列单片机的SDK，旨在提高AVR项目的开发速度。

软件设计的整体思路是：在内存中开辟一个180单元的缓冲数组，每个数组单元与角度一一对应。当扫描开始后，控制舵机由-30度方向向+30度方向旋转，每次步进一度，每步进一次，依次采样三个超声波模块的距离值，并保存在对应的缓冲数组中。0~59度范围由左方超声波传感器进行采集，60~119度由中间传感器负责采集， 120~179度由右方传感器采集，总计180度。该部分程序代码如下：

int i = 0, j = 0; 
int distance[180]; 

for ( i = -30; i <= 30; i++ ) { 
  server_setdegree(i); 
  distance[j] = ultrasonic_getdistance(0); 
  distance[j+60] = ultrasonic_getdistance(1); 
  distance[j+120] = ultrasonic_getdistance(2); 
  j++; 
}

程序中包含两个子函数：server_setdegree()与ultrasonic_getdistance()。其中server_setdegree()通过修改PWM的占空比，控制舵机的旋转角度；而ultrasonic_getdistance()用于对指定超声波通道进行一次触发-采样。

超声波传感器的量程为：5-5000mm，以声速为340m/s计算，对应的高电平时间应为29.4us~29411.8us，使用tick为1us的16位定时器即可准确测量该时间。实际因资源受限只能使用1个tick为1us的8位定时器模拟16位定时器，对应精度为340m/s*1us=0.34mm，可以满足系统要求。

将一次实验采集到的数据通过串口发送至上位机，并通过Excel展示，得到以下距离分布图：

Figure 8. 超声波雷达距离测量图